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偏重钻具防斜机理分析及应用


偏重钻具防斜机理分析及应用
张桂林 刘同富 张延明

摘 要:介绍了胜利油田胜北断裂带和坨胜永断裂带两个地层倾角 为 30°~50°区块上的钻井情况,分析了偏重钻具的结构及防斜、纠斜 原理。5 口井的现场应用表明,该偏重钻具能有效地解决大倾角地层钻 井中易发生井斜的问题,值得推广应用。 主题词:偏重钻铤 井斜 井斜控制 纠斜 钻具组合 胜利油田 主题

词 中图分类号:TE262 TE821.2 中图分类号 文献标识码:A 文献标识码 文章编号:1001-0890(1999)01-0018-03 文章编号

Deviation Investigation of Deviation Prevention Mechanism of Unbalanced Drill Tools and Its Applications
Zhang Guilin, Liu Tongfu, Zhang Yanming
(Production Management Department, Shengli Oilfield, Dongying,Shandong,257001,China) Abstract: Abstract:Drilling activities are introduced in two blocks with formation dip 30°~50°, the structure features and deviation prevention mechanism of two unbalanced drill tools are analyzed. Application results in 5 wells show the tools can solve the problem of well deviation encountered in formations with big dip and is worth wide application. Keys: Keys:unbalanced drill collar,eccentric joint,hole deviation,deviation control,hole straightening,bottom hole assembly,Shengli Oilfield

一、前 言
胜利油田东营油区存在着多个大倾角地层区块,其中胜北断裂带和 坨胜永断裂带是最典型的两个区块。该区块中 2000m 以深的沙 2 段以下 地层倾角一般为 30°~50°,其特点是地层埋藏深、岩石硬度大、井斜 控制难。在以往的钻井中,该地区常用刚性满眼钻具防斜但难以抵消地 层的造斜作用,井斜不断增大;采用带“长 18m 稳定器”的钟摆钻具吊 打纠斜,机械钻速低,纠斜效果差;采用井底动力钻具纠斜,深部硬地 层的纠斜操作难度大,井眼轨迹复杂,而且一次纠斜的效果很快被地层 造斜作用所抵消。因此,多年来胜利油田坨胜永断裂带和胜北断裂带上 每口井几乎都发生了严重的井斜。对这些完钻井资料进行分析,可以发 现以下特点: 1.所钻井眼上部地层的井斜一般较小,当钻至某一井深后井斜迅速

增大,增斜地层都是沙 3 段。 2.增斜速度快,用常规防斜、纠斜钻具难以将井斜控制在要求的范 围内。 3.井斜段地层硬度大,纠斜困难。 4.全井机械钻速低,建井周期长。 针对这些情况,开展大倾角地层防斜打直技术攻关、探讨新的防斜 纠斜钻具组合是非常必要的。

二、结构原理
胜利油田针对大倾角地层的井斜问题,认真分析了井斜的主要原 因,对偏重钻具的防斜机理进行了探讨并使用了带偏重钻铤和偏心接头 的两种偏重钻具进行防斜打直试验。实践证明,使用偏重钻具可克服其 它防斜、纠斜钻具的缺点,在大倾角易斜地层中能有效地控制井斜,而 且可在较大钻压下起到防斜作用。当井斜已增大时,减小钻压钻进的纠 斜效果显著。 1.偏重钻铤结构及工作原理 1.偏重钻铤结构及工作原理 在普通钻铤的一侧沿钻铤一条母线钻一排坑, 去掉一部分钻铤重量, 造成几何中心和重心不重合,即形成偏重钻铤。当偏重钻铤绕其轴线旋 转时就产生一个朝向重边的离心力,并且转速越高,离心力越大。在倾 斜状态下,偏重钻具每旋转一周,本身的钟摆力和离心力就产生一次重 合,这样对下部井壁就能产生较大的作用力即纠斜力(见图 2a),从而 使井斜减小。同时,由于周期性的旋转不平衡性使下部钻柱产生强迫弹 性横向振动,从而大大提高了钻头切削井壁的能力(由于离心力的影响, 钻头对各个方向井壁切削能力都有提高,从而使井眼扩大;若对下部井 壁的切削能力增加,就有利于防斜)。此外,由于离心力的作用,偏重 钻铤的重边在旋转时具有贴向井壁的趋势,这样下部钻柱具有公转的运 动特性,从而消除了钻柱自转对井斜的影响,使得偏重钻铤在直井中更 具有防斜作用。

图 1 偏重钻具的纠斜原理 偏重钻铤的基本工作原理,在于能够产生一个比较大的离心力,其计算 公式如下: 2 2 F=mrω =mr(πn/30) (1) 式中 F——离心力(或向心力),N; m——偏重钻铤质量,kg; r——旋转半径(偏心距),m; ω——转动角速度,rad/s; n——转速,r/min。 由式(1)可见,离心力与偏重钻铤质量、偏心距以及转速的平方成正 比。所以要增大离心力、发挥偏重钻铤的防斜纠斜作用,宜采用高转速, 并减去钻铤一侧尽可能多的重量以增大偏心距。对于结构尺寸确定的偏 重钻铤,所产生的离心力的大小受转速的影响显著。据有关资料介绍, 钻铤重边和轻边的重量差应为整根钻铤重量的 0.5%~5.0%,使用一根长 度 9m 左右的偏重钻铤就能起到良好的纠斜作用。 偏重钻铤与任何钻具的 组合,都能在原钻具纠斜力基础上增加了一个离心力。 在偏重钻具试验应用中,所钻井眼直径为??215.9mm,钻铤直径为 ??177.8mm。共钻坑 125 个,去掉钻铤质量 52.28kg,占钻铤总质量的 4.23%,形成的偏心距 3.9mm,钻具结构见图 2a。 2.偏心接头结构及工作原理 2.偏心接头结构及工作原理 根据偏重钻具的防斜原理,只要能使下部钻具形成偏重,就能产生 离心力,就具有防斜能力。而偏心接头也能使下部钻具形成偏重,从而 也具有防斜纠斜作用。偏心接头使两端的丝扣轴线产生一定的偏移,从 而使连接于上部的钻具和下部的钻头因不同心而产生偏重,从而在钻具 旋转时就以钻头为支点产生一个朝向钻铤轴线的离心力。偏心接头钻具 的工作原理与偏重钻铤钻具相同 (见图 1b) 偏心接头钻具结构见图 2b。 。

图 2 偏重钻具结构

根据偏重钻铤有关尺寸,可以确定偏心接头尺寸。 偏重钻铤的偏心距和偏重段都是一个确定的值,而偏心接头的偏心 距却是自偏心接头公扣开始自下而上逐渐减小的。偏重段是钻头以上钻 具与井壁的第一个切点至偏心接头丝扣处的距离。根据偏重钻铤的移轴 量 3.9mm,设计偏心接头偏心距 5.0mm,并且假设平均偏心距为最大偏心 距的一半,以此利用下式进行计算: 2 2 F=mrω =qlr(πn/30) (2) 式中 q——钻铤线密度,kg/m; l——钻头至其上钻具第一个切点的距离,m; r——平均偏心距,m; ω——转动角速度,rad/s; n——转速,r/min。 由式(2)可见,偏心接头所产生的离心力大小是由偏心距、钻头之上 钻具的第一个切点位置和转速三方面因素所决定的。若偏心距太大会影 响钻头对井壁的切削厚度,所以偏心距是有限的;而切点位置受钻压的 影响,应采用低钻压以提高切点位置,从而增大纠斜力。所以,用偏心接 头吊打钻进的纠斜效果显著。偏心接头与任何钻具的组合,都能在原纠 斜力基础上增加了一个离心力。

三、现场应用
1994 年以来, 胜利油田在大倾角地层区块的 5 口井上进行了偏重钻 具防斜、纠斜试验。 1.永 1.永 556 井的应用 永 556 井与永 1-53 井、永 552 井、永 554 井都属于坨胜永断裂带, 完钻井深 3167m。为了有效地控制井斜,自井深 2000m(沙 3 段地层)下入 偏重钻铤。钻进至易斜井段后,于井深 2208m 与带“长 18m 稳定器”的 钟摆钻具组合使用,用虹吸测斜仪监控井斜,并适时调整钻井参数。钻 压 100~120kN, 转速 70r/min, 井斜比较稳定, 当井斜超过 4°时用 50kN 钻压钻进。该井取得了理想的试验效果,全井最大井斜只有 5°,比原 来完钻的三口井井斜 6°(填井前 18°)、10°和 14°明显减小。 2.坨 2.坨 123 井和坨 125 井的应用 在这 2 口井中试验应用了带偏心接头的钻具组合。这 2 口井的井深 分别为 2860m 和 2804m,钻压 140~160kN,转速 70r/min。试验证明, 在常规钻井参数下,易斜井段井斜明显减小,2 口井的井斜分别为 6.0° 和 8.1°, 与原来完钻的坨 122 井和坨 124 井(井斜 7.5°和 9.5°)相比, 井斜明显减小。 3.坨 3.坨 126 井和坨 127 井的应用 经过以上 3 口井的试验和总结分析,在坨 126 井和坨 127 井进行了 进一步试验。首先采用偏重钻铤防斜钻进,当井斜增大时用偏心接头纠 斜。因为钻井参数合适、措施得力,取得了显著的技术经济效果。这 2 口井的最大井斜分别为 4.5°和 5.0°,比原来完钻的坨 122 井和坨 124

井的井斜明显减小。 在 5 口井的试验中,由于偏重钻具可以使用较大钻压钻进,机械钻 速有了显著提高。永 556 井完钻井深相对同断裂带上的原 3 口井平均井 深仅减少 176m,平均机械钻速达到 7.59m/h(比原三口井平均机械钻速 4.66m/h 提高 62.88%),钻井周期比原 3 口井平均钻井周期缩短了 50d; 在井深基本相等的条件下, 123 井和坨 125 井相对于同断裂带上坨 122 坨 井和坨 124 井,平均机械钻速提高 34.23%,平均钻井周期缩短 3.5d。因 坨 126 井和坨 127 井都下入了??244.5mm 技术套管,因此在全井的速 度指标上不具备可比性,但可以肯定地说,相应井段的速度指标都有明 显的提高。 目前,胜利油田已在易斜地区推广应用偏心接头并且取得了理想的 防斜效果。在单家寺、滨南、永安等一些易斜地区井深 2350~2970m 的 井中使用带偏心接头的钻具组合后,井眼最大井斜都不超过 3.5°。

四、结 论
1.偏重钻铤钻具组合的离心力只受转速的影响;而偏心接头钻具组 合的离心力既受转速的影响,又受到钻压的影响。 2.偏重钻具可以在较大的钻压下钻进而将井斜控制在较小范围内, 从而在保证井身质量的前提下提高机械钻速,缩短建井周期。 3.与其它纠斜钻具相比,偏重钻具具有结构简单、操作方便、便于 推广等优点。 4.由于偏重钻具利用偏重旋转产生较大的纠斜力,致使钻头一边总 是贴向井壁,因而牙轮钻头的径向磨损大,影响了钻头整体寿命,应适 当缩短钻头使用时间。 5.偏重钻具使用 PDC 钻头的防斜、纠斜效果好。因为 PDC 钻头要求 使用低钻压、较高转速,这与防斜、纠斜的措施要求一致,而且不容易 发生钻头事故。 6.偏重钻具在两个大倾角易斜地区的应用,充分证明了该钻具具有 较高的防斜、纠斜能力,进一步完善了胜利油田防斜钻具组合,创出了 大倾角地层钻井施工的新路子。 7.偏重钻具作为一种主要的防斜、纠斜钻具,已在胜利油田大倾角 易斜地区推广应用。 作者简介:张桂林,1959 年生。1981 年毕业于胜利石油学校钻井专业, : 1994 年获得大专学历。 曾获得多项职务发明专利 和管理局成果奖。现任胜利石油管理局生产管理 部钻井办公室工程师。 刘同富,1957 年生。1981 年毕业于胜利石油学校钻井专业。 现任胜利石油管理局钻 井五公司技术科科长。 张延明,1964 年生。1988 年毕业于石油大学(华东)开发系钻 井专业。现任胜利石油 管理局生产管理部钻井办 公室工程师。 作者单位:张桂林 张延明 胜利石油管理局生产管理部,山东东

257001; 刘同富 257001 参考文献



胜利石油管理局钻井五公司技术部,山东东营

[1]刘希圣.钻井工艺原理.北京:石油工业出版社,1988 [2]苏翼林.材料力学.北京:高等教育出版社,1987 收稿日期:1998—11—16;改回日期:1998—12—15


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